3. Пьезоэлектрические преобразователи.

Существует ряд способов возбуждения ультразвуковых колебаний, в том числе механический, радиационный, лазерный, магнитный и др. В практике диагностирования в полевых условиях для получения и ввода ультразвуковых колебаний применяют специальные устройства - преобразователи, основанные на использовании электромагнитно-акустического (ЭМА) и пьезоэлектрического эффектов.

Важным преимуществом ЭМА-преобразователей является возможность контроля бесконтактным методом через слой изоляции. Вместе с тем такие преобразователи, в силу их конструктивных особенностей и низкого коэффициента преобразования, используются для прозвучивания поперечными и продольными волнами по нормали к поверхности объекта контроля и применяются в основном для толщинометрии металлоконструкций.

Н аиболее распространенным является способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. Физическая сущность этого эффекта заключается в том, что при механическом растяжении или сжатии на поверхности пластин некоторых твердых материалов появляются электрические заряды противоположного знака - возникает прямой пьезоэффект (а); наоборот, при подаче на поверхность пластин переменных электрических зарядов пластина начинает сжиматься и разжиматься - имеет место обратный пьезоэффект (б). Такими свойствами обладает ряд природных и искусственных материалов: кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС) и др.

П ри реализации обратного пьезоэффекта механически вибрирующая пьезопластинка играет роль «молоточка», посылающего пучок упругих колебаний в контролируемый материал. Одновременно та же пластинка под действием прямого пьезоэффекта может служить преобразователем механических колебаний в электрические сигналы. Пьезопластинки являются основным элементом пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), предназначенных для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Основные преимущества ПЭП, обусловливающие их широкое применение, - высокая эффективность преобразования (высокая чувствительность) и простота конструкции. Используют три основные схемы конструктивного исполнения контактных ПЭП (см. рис.): прямые, наклонные, раздельно-совмещенные.

а - прямой;

б - наклонный;

в - раздельно-совмещенный.

На поверхности пьезопластины 1 методом осаждения или напыления наносят серебряные или медные электропроводные покрытия, одно из которых с помощью проводника 7 подключается к электрическому разъему ПЭП, а другие - к металлическому корпусу 5. Толщина пьезопластины принимается равной половине длины волны в пьезоматериале на рабочей частоте ПЭП. В прямых ПЭП пьезопластина одной стороной приклеена к демпферу 6, а другой стороной - к протектору 2. Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и должен обладать высокой износостойкостью. Демпфер в свою очередь служит для гашения свободных колебаний пьезопластины и получения коротких импульсов.

Наклонный ПЭП отличается от прямого наличием призмы 8, служащей для ввода упругих волн под углом к поверхности изделия. Угол призмы наклонного преобразователя выбирают таким, чтобы в изделие проходили волны одного типа в интервале между первым и вторым критическими углами. Призму обычно изготовляют из плексигласа, капролона или других материалов с высоким затуханием ультразвука, что обеспечивает быстрое затухание не вошедшей в изделие волны.

Раздельно-совмещенный ПЭП представляет собой сдвоенный наклонный ПЭП с малым углом призмы (обычно не более 10°). Одна половина раздельно-совмещенного ПЭП работает на излучение, а вторая на прием. Для предупреждения прямой передачи сигналов от излучателя к приемнику имеется акустический разделительный экран 9. Угол призмы 8 выбирается в диапазоне от 0...10°, что позволяет вводить в изделие волны одного типа без их трансформации. Изменяя углы призмы, их высоту и расстояние между ними, изменяют минимальную и максимальную глубину прозвучивания изделия. Раздельно-совмещенные ПЭП сложнее по конструкции, не являются универсальными (предназначены для конкретных глубин прозвучивания), но имеют значительно более низкий уровень помех.

● Используют различные способы ввода ультразвуковых колебаний от ПЭП в объект контроля: бесконтактный воздушный способ, контактный способ и иммерсионный способ.

Бесконтактный воздушный способ иногда применяют для контроля изделий из пластмассы и композитных материалов; для контроля металлов этот способ не используется из-за большой разницы волновых сопротивлений.

Иммерсионный способ предусматривает создание акустического контакта через слой жидкости. Для этого контролируемое изделие необходимо поместить в ванну с жидкостью (водой) либо применить струйный контакт через струю жидкости.

В подавляющем большинстве случаев используют контактный способ с применением контактной смазки (жидкости). Контактная смазка 4 служит для обеспечения акустического контакта и передачи ультразвуковых колебаний в объект контроля 3 и обратно. Толщина смазки должна быть меньше длины волны ультразвука в ней. Это достигается путем прижатия ПЭП к поверхности объекта контроля. Изменение толщины контактной смазки влияет на количественные результаты контроля, поэтому для повышения стабильности результатов при контактном способе контролируемую поверхность предварительно зачищают до шероховатости не хуже Rz40.

● Ультразвуковым волнам присущи общие закономерности распространения в соответствии с явлениями дифракции (огибания) и интерференции (сложения). При размерах излучателя, меньших длины волны, от него распространяются сферические волны, и излучение является ненаправленным. Если размеры излучающей пьезопластинки существенно больше размеров длины волны, то ультразвуковые волны будут распространяться в виде направленного пучка. В непосредственной близости от излучателя (в зоне Френеля) пучок волн распространяется почти без расхождения, а интенсивность колебаний вдоль пучка непостоянна, имеет скачкообразный характер и определяется явлением интерференции. Протяженность ближней (мертвой) зоны N определяется скоростью распространения колебаний С в среде, их частотой f и размером (радиусом) а излучающей пластины

.

При удалении от излучателя на расстояние пучок колебаний распространяется с расхождением под некоторым углом величина которого определяется соотношением

.

Интенсивность колебаний в этой зоне (зоне Фраунгофера) вдоль оси пучка будет монотонно убывать в соответствии с закономерностями затухания. Направленность пучка ультразвуковых колебаний улучшается с увеличением произведения a·f. Интенсивность колебаний в поперечном сечении дальней зоны непостоянна и убывает по направлению от оси пучка к его периферии. Характер изменения интенсивности в зависимости от угла между направлением луча и осью пучка определяется диаграммой направленности излучателя. Длина луча, направленного под некоторым углом к оси пучка, в пределах диаграммы направленности пропорциональна амплитуде колебаний в этом направлении. Поэтому от отражателей (дефектов), расположенных на одинаковом расстоянии от излучателя, но под разными углами к оси пучка, поступают сигналы, разные по амплитуде. Максимальная амплитуда сигнала будет при расположении отражателя на оси пучка. Типовая диаграмма направленности дискового излучателя в полярных координатах приведена на рис. За единицу принимают амплитуду A₀ на оси пучка.

П

A/A₀

ри уменьшении угла расхождения увеличивается протяженность ближней зоны N. При в диаграмме направленности возникают боковые лепестки, в которых сосредоточивается до 20% энергии. В отдельных случаях боковые лепестки могут отражаться от дефектов и давать соответствующие сигналы.